骨结构

1第二章骨的构造与骨折愈合第一节骨的结构人体有206块骨，通常依据骨的形态分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨。每一块骨骼都是由四种基本组织构成的器官，具有一定的形态结构和功能，从解剖学和生理学上都可以视为一个相对独立的单位。虽然骨的形状各异，但是骨的结构具有共同的模式，即骨的表面被覆一层骨膜，骨膜深方是结构致密的皮质骨，虽然皮质骨的厚薄不等，但是都形成一个封闭的皮质骨壳，即骨的外表面。在表层皮质骨的深方是海绵状的松质骨。在长骨的内部和松质骨的小梁骨之间有骨髓腔，容纳骨髓。骨组织是组成骨器官最基本的成分。骨组织属于结缔组织，是由细胞和矿化的细胞外间质组成的、坚硬的结缔组织。在生活状态下，骨组织有活跃的新陈代谢，其对于环境的变化，特别是应力变化，有积极的反应，并且以其微细结构周期性的重塑建，适应内外环境和应力的变化。骨的基本功能可以概括为支持、运动和保护等3个主要方面。此外，骨组织是机体代谢所必需的、最重要的钙离子“库”；红骨髓是机体的造血器官；骨组织合成及分泌一些细胞因子参与机体造血、内分泌和免疫等许多系统的机能调节。一、骨的组织学构造骨由骨膜、骨质和骨髓等3部分构成。骨膜是骨的被覆。骨质即骨组织，由骨系细胞和骨间质组成。骨系细胞主要指骨原细胞、成骨细胞、骨细胞与破骨细胞等，有时也涉及到中胚层间充质的多能干细胞。骨间质即骨组织的细胞外间质，通常分为有机间质与无机间质。有机间质由骨胶原纤维和无定形基质组成；无机间质即骨盐，它们主要沉积在骨的胶原原纤维上。为方便起见，拟分骨系细胞、细胞间质、骨膜和骨髓4个标题介绍。（一）骨组织的细胞：骨组织的基本细胞有4种：骨原细胞、成骨细胞、骨细胞和破骨细胞。其中骨细胞最多，埋于骨间质内部，其它细胞均位于骨质的表面（边缘）。1.骨原细胞（Osteogeniccell）：也称前骨母细胞（Preosteoblast）或骨祖细胞，它们是骨组织的干细胞。位于骨外膜和骨内膜的深方。骨内膜除贴覆在长骨干皮质骨内面外，也贴覆在小梁骨表面和骨内管道系统的腔面。换言之，在骨2膜与骨质的表面之间（或者说在骨膜的最深层），覆有一层骨原细胞。此外，在骺板的毛细血管周围及其软骨小梁处，也有少量骨原细胞。骨原细胞的形态与内皮细胞或纤维母细胞相似。骨原细胞的胞体较小，呈梭形。细胞质较少，呈弱嗜碱性，浅染且富于空泡；细胞核椭圆形，核染色浅淡。在生理条件下，骨原细胞与骨的生长和重塑建有关；它也参与骨折愈合的修复。利用3H标记的胸腺嘧啶标记骨原细胞后，只在分化的成骨细胞和破骨细胞内检测到3H-胸腺嘧啶。这表明骨原细胞可以通过有丝分裂、增殖和分化，形成成骨细胞和破骨细胞。2.成骨细胞（Osteoblast）：又称骨母细胞，它们位于骨膜的深方，新生骨的表面。成骨细胞比较大，呈多形性，可以是矮柱状、立方形、椭圆形或扁平梭形。细胞直径由20～50m，胞浆丰富，因含大量核糖核蛋白，故呈较强的嗜碱性，染为深蓝色。细胞核较大，呈圆形或椭圆形，核染色质少而比较透明，核仁明显，有1～3个。核常位于新生骨表面的对侧，而胞浆靠近新生骨。在细胞中央与核相邻处，常有一透明区。成骨细胞常呈单行排列，颇似覆盖于新生骨表面的一层上皮。成骨细胞表面有许多长短不一的突起，细胞之间借突起相互连接形成网络。成骨细胞间有时也形成缝隙连接（Gapjunction）。当成骨细胞转化为骨细胞后，这些突起则成为骨小管内的骨细胞突起。幼儿的成骨细胞较成人的多。在电镜下，成骨细胞有大量发育良好的粗面内质网、游离核糖体和发达的高尔基复合体。它们也富于线粒体，其线粒体比较小，多为圆形。此外，可见溶酶体、胞饮小泡（Pinocytoticvesicles）、空泡和糖原颗粒等。（图2－1成骨细胞结构模式图）成骨细胞的主要功能有以下3方面：（1）合成与分泌骨基质的胶原和蛋白质。在成骨细胞的粗面内质网中合成胶原的前体，再转移到高尔基复合体内合成原胶原，经分泌性管泡排放到细胞外。在细胞外，原胶原转变为胶原。此外，成骨细胞合成分泌多种糖蛋白和非胶原骨基质蛋白，这是组成无定形骨基质的主要成分；（2）参与类骨基质的矿化过程。在矿化过程中，类骨质内的基质小泡有重要的作用，当基质小泡破裂后，局部磷酸盐浓度增高，出现钙盐结晶，这是类3骨质钙化的核心，并且迅速扩展，使类骨质矿化。据认为，成骨细胞的线粒体或Golgi氏复合体是形成基质小泡的结构。形成的基质小泡逐渐移向胞膜下区，并且有微量钙盐沉积。基质小泡被排放到基质内后，很快称为类骨质钙化的核心。近代的研究报道了一些相关的证据，例如：①在出现类骨质时，成骨细胞内线粒体数量很多，而胞外基质小泡发生钙盐沉积时，线粒体的数量则明显地减少。这提示线粒体可能形成基质小泡；②成骨细胞的线粒体含有钙、磷颗粒，即线粒体内小体（Intramitochondralbodies），携带钙、磷颗粒的线粒体可移行到成骨细胞的胞膜下区，这提示线粒体可以把血液中的钙、磷运送至钙化部位，然后排放到细胞外；③线粒体可以摄取血液的钙和磷，并且输送给Golgi复合体的囊泡。囊泡再与细胞膜结合，以胞吐方式排出细胞，即可诱导类骨质的钙化。尽管目前尚不能确定基质小泡是来源于线粒体，或/和源于Golgi氏器的囊泡，但是成骨细胞的线粒体对矿物质的运输确有重要作用；④基质小泡内含有碱性磷酸酶、焦磷酸酶和ATP酶等与矿化相关其酶；⑤基质小泡沉积在类骨质内，而小泡膜的磷脂成分，与钙离子有很强的亲和力。这提示基质小泡是介导类骨质矿化的重要成分。（3）分泌细胞因子如IGF（胰岛素样生长因子）、TGF（转化生长因子）和PDGF（血小板源生长因子）等，调节破骨细胞、造血和免疫系统的功能。依据成骨细胞的形态和机能状态可以分下述几型：（1）前成骨细胞（Preosteoblast）：是处于静止状态、未被激活的成骨细胞，呈扁平状，无合成骨基质的功能。（2）柱状或立方形成骨细胞（Cubicosteoblast）：是处于最活跃状态的成骨细胞，前成骨细胞在内环境因子，特别是甲状旁腺激素（PTH），的作用下被激活，转变为柱状成骨细胞。当这类细胞增多时，类骨质的面积扩大，其厚度增加。（3）中间型成骨细胞（Intermediateosteoblast）：当柱状成骨细胞合成与分泌骨基质的功能达到高峰时，其功能将逐渐跌落，细胞也逐渐变为扁平，它们分布在新生骨基质的表面。（4）覆盖型成骨细胞（Liningosteoblast）：由中间型成骨细胞转化而来，当成骨细胞分泌完骨基质后，多数成骨细胞将自身埋于骨间质内，则成为骨细胞。4部分成骨细胞恢复到静止状态，停留在新生类骨质的表面，变成扁平的覆盖型成骨细胞。覆盖型成骨细胞也称骨衬细胞，它们具有界膜的作用，分隔血管与新生的骨基质，一些营养成分、矿物质和水可通过此层从血液进入骨组织。而且在适宜刺激出现时，覆盖型成骨细胞还可以被激活，执行活跃的功能。活跃的成骨细胞、骨衬细胞与骨基质的相互作用，对于成骨细胞的增殖和分化具有重要的意义。此外，成骨细胞家族的细胞与骨细胞及骨基质之间，通过骨小管内的细胞突起进行广泛的通信联络。骨内的细胞网络对于调节骨骼的动态平衡有重要的作用。而细胞之间、细胞与基质之间的相互作用是由细胞粘连分子介导的，这对于理解骨骼周转中成骨细胞作用具有重要的意义。细胞粘连分子表达的变化对于探明人类骨骼系统疾病有一定的意义[1]。3．骨细胞（Osteocyte）：骨细胞位于骨基质的骨陷凹（Bonelacuna）内。成骨细胞逐渐丧失成骨功能，而转变为骨细胞。骨细胞是多突起细胞，胞体为扁平椭圆形，突起细长，数量较多，位于骨小管（Bonecanaliculi）内，相邻骨细胞的突起之间形成缝隙连接。骨细胞及其突起与骨陷凹和骨小管之间，存在少量骨液，即骨组织的细胞外液。骨细胞胞浆内含线粒体、高尔基复合体和粗面内质网等。细胞核呈卵圆形，染色质多，位于胞体的中部。骨细胞的完整和活力不仅是骨生命力的标志，而且也是保持骨组织完整性的重要成分。由于骨细胞经历着逐渐发育、成熟、衰老和死亡的过程，故可以把骨细胞大致分为4型。（图2－2骨细胞结构模式图）（1）形成期骨细胞：位于钙化骨基质的浅层，形态酷似成骨细胞，胞体肥胖较大，骨陷凹也比较大。胞浆的内质网发育良好，Golgi复合体和线粒体较多，胞浆内可见多数空泡。胞核多位于细胞的一侧。形成期骨细胞仍具有微弱的合成与分泌细胞间质的功能，使骨陷窝壁逐渐沉积一些新生的间质而缩小，骨细胞体积也逐渐缩小而转变为成熟的骨细胞。（2）成熟期骨细胞：位于板状骨的内部，其长轴平行于板状骨的板层。细胞体积比形成期骨细胞略瘦小，呈扁平或卵圆形，有许多细而长的细胞突起，胞浆内的粗面内质网、线粒体和高尔基复合体等数量减少。细胞核较大，位于细胞的中央区。5（3）吸收期骨细胞：吸收期骨细胞的体积进一步减小，而骨陷窝扩大，骨细胞周围的骨质出现溶解征象。胞浆内的粗面内质网和线粒体数量极少，Golgi复合体不发达。这表明其合成蛋白质的功能已经十分低下。在骨细胞周围的间隙内，可见脂质、蛋白质和断裂的胶原，这些可能是骨细胞间质的崩解产物。由于此期常出现骨内膜下破骨性吸收，所以有学者认为，出现崩解产物表明这类骨细胞具有吸收骨间质的作用。（4）变性期骨细胞：此期的骨细胞胞浆内出现许多空泡，粗面内质网、线粒体和Golgi复合体基本消失。变性期骨细胞的出现，一方面表明骨细胞衰老死亡的新旧更迭过程；另一方面，这种现象也见于成人骨的重塑建相，即所谓的骨细胞性微观重塑建（Osteocyticmicroremodeling）。骨重塑建是在应力负荷的作用下，通过破骨细胞吸收骨质，和成骨细胞分泌骨基质形成新骨，而进行的细微的、周期性的骨质更新活动。骨细胞的功能可以概括为：①骨细胞是构成骨组织的最基本的细胞成分和功能单位，它的存在和更新，赋予骨组织生命力和生物力学的特性；②由于形成期骨细胞胞浆内硷性磷酸酶的活性很高，胞浆内富于粗面内质网、线粒体和高尔基复合体等细胞器，所以认为骨细胞具有合成与分泌原胶原的功能；③由于骨细胞内显示有焦磷酸酶和特异性脂酶的活性，一些骨细胞含有比较多的线粒体和高尔基复合体，所以骨细胞可能与骨盐的代谢和/或骨的钙化有关；④在甲状旁腺激素和骨液钙浓度的调节下，骨细胞通过激活或抑制骨陷窝壁的骨质溶解，以维持血清钙含量的稳定。一些骨细胞含有比较多的溶酶体，也从结构上支持，骨细胞参与骨质吸收的功能。这种骨质吸收也称为骨细胞性骨溶解（Osteocyticosteolysis）。据信，在体内出现激动骨吸收的信息后，骨细胞性骨溶解可以迅速被激活，而破骨细胞的动员和投入，往往需要更长的间隔时间；⑤执行骨细胞之间信息和物质传递：骨细胞的突起沿骨小管伸展，在基质内与相邻的骨细胞相连接。这是骨细胞之间进行信息传递的结构基础。骨细胞的微丝和微管，是细胞内离子和分子运输的通道，也是骨细胞间电解质与小分子物质交换的通路。这保障了信息和物质沿骨细胞网络的顺利和及时的传递；⑥执行骨细胞与体液之间信息传递和物质交换：微骨小管（Microcanal）是从骨小管分出的放射状微管，它们散布在细胞间质的胶原原纤维之间，形成骨细胞与骨液之间信息传递和物质6交换的界面，也是骨与血液之间信息传递和进行物质交换的界面；⑦形成骨原细胞：多数骨细胞位于基质内，直到衰老死亡。但当破骨细胞吸收骨细胞周围的钙化基质后，部分没有死亡的骨细胞可自骨陷窝内暴露，并且可能反祖形成骨原细胞，再转变为成骨细胞，实现成骨循环[2]。4.破骨细胞（Osteoclast）：破骨细胞位于骨膜下或小梁骨破骨区的豪氏陷窝（Howshipslacunae）内，数量较其它骨细胞少。在患甲状旁腺机能亢进症患者的骨切片，可见比较多的破骨细胞，其胞体也比正常人的大。通常把破骨细胞分为多核破骨细胞、单核破骨细胞和覆盖型破骨细胞等三种，以多核破骨细胞最为常见，其结构也比较典型。关于破骨细胞的分型和形态构造简述如下。（1）多核破骨细胞（Multinucliatedosteoclast）：这型破骨细胞形体巨大，直径为30～100m.。成熟破骨细胞的胞浆呈嗜酸性，幼稚破骨细胞的胞浆多为异染性，有时呈嗜碱